单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,纯电动车动力系统,李哲,清华大学汽车工程系发动机控制课题组,2006.12,N,S,S,N,纯电动车动力系统李哲NSSN,纯电动概述,纯电动动力系统组成,3,动力系统的不同布置方法,电机,5,电池,电池的反应式和基本类型比较,三类主要实验，放电特性 与充电方法,BMS,的任务,SOC,估计方法,单体差异,安全性管理,提纲,纯电动概述提纲,概述,发展纯电动车的原因,环境 资源 政策 市场需求,据国务院发展研究中心预测，从,2007,年我国电力将开始盈余。微型电动汽车在夜间充电有利于我国电力结构优化，假定我国,2020,年电动汽车、微型电动汽车、电动自行车保有量分别达到,50,万、,500,万和,2,亿辆，以三类电动车年行使里程,2,万公里、,1,万公里和,5000,公里为例计算，夜间充电将为电网提供总装机容量近,7%,的蓄能设备，为电力产业发展节约投资成本约,1000,亿元。,到,2008,年，北京地区的机动车排放将实行相当于欧洲,号的标准。北京奥组委在,北京奥运行动规划科技奥运建设专项规划,中，将电动汽车开发、示范及产业化研究、动力锂离子电池及关键材料研究列入重点任务。,概述,纯电动车动力系统结构简图,动力系统组成：,电池及其管理系统,电机及其管理系统,辅助子系统,纯电动动力系统组成,纯电动车动力系统结构简图动力系统组成：纯电动动力系统组成,动力系统的不同布置方法,动力系统的不同布置方法,电机,电磁场基本原理,磁通、磁场强度、磁感应强度、磁导率,电,&,磁：,电动势,E ,磁通势,F=NI,电流,I ,磁通,电流密度,I/S ,磁感应强度,B,电阻,R=L/rs ,磁阻,Rm=L/S,I=E/R=E/(L/rs),=F/Rm=NI/(L/,S,),磁场相互作用,两个空间磁场，产生相互作用力，使得磁力线方向趋于一致。（指南针）,磁力线总是喜欢从磁阻小得地方通过。（吸铁）,电机原理,电机原理：在空间内产生定子磁场和转子磁场。磁场相互作用产生扭矩和感生电动势。通过保持两磁场强度和相对夹角控制扭矩。,电动机,(,电能,机械能,),当扭矩方向与旋转方向相同时输出机械能。此时感生电动势方向与电流同相，消耗电能。,发电机,(,机械能,电能,),当扭矩方向与旋转方向相反时消耗机械能。此时感生电动势方向与电流反相，产生电能。,电机电磁场基本原理电机原理,电机的数量和布置,选装几个电机？,使用轮毂电机吗？,电机选择什么类型？直流永磁无刷？,四轮单独控制，减少打滑等,附着,制动能量回收,重量,电机的效率曲线,轮毂电机,线控，体积，空间布置,成本,浙江雄霸,800W,直流永磁刷 单个重量约,8Kg,电机的数量和布置选装几个电机？四轮单独控制，减少打滑等浙江雄,1,直流电机,如传统汽车用启动电机,直流电机,（通过直流电直接驱动的电机）,定子磁场空间固定：通过直流电或永磁体产生转子磁场空间固定：通过电刷转子线圈产生,两空间旋转磁场，当方向夹角,90,度时，产生最大作用扭矩。,电机分类,1 直流电机如传统汽车用启动电机电机分类,2,交流同步电机,交流同步电机,(,转子转速与磁场转速相同,),定子磁场空间旋转：通过交流电定子线圈产生转子磁场空间旋转：通过电刷转子线圈或永磁体产生,电机分类,2 交流同步电机电机分类,励磁同步发电机,(APU,所用发电机,),转子通过励磁机励磁,(,无刷直流励磁,),，定子感生交流电,励磁同步发电机(APU所用发电机)转子通过励磁机励磁(无刷,永磁同步电机,(ISG,广泛采用,),转子永磁体，定子线圈，无电刷,S,N,永磁同步电机(ISG广泛采用)转子永磁体，定子线圈，无电刷,3,直流磁阻电机,磁阻同步电机,(,多用于步进电机,),定子磁场空间旋转：通过直流电定子线圈产生转子磁场空间旋转：无转子磁场,电机分类,3 直流磁阻电机电机分类,4,交流异步电机,交流异步电机,(,转子转速小于磁场转速,),定子磁场空间旋转：通过交流电定子线圈产生转子磁场空间旋转：通过金属条,(,鼠笼,),感应产生,电机分类,4 交流异步电机电机分类,永磁同步电机,永磁同步电机分类,永磁同步,(PMSM),转子永磁体形成的空间磁场强度沿周向呈正弦波分布。随转子旋转，定子线圈感生反电动势,(bemf),为正弦波。为产生平稳扭矩，定子电流随转角也应为正弦波。,N,S,S,N,永磁同步电机永磁同步电机分类NSSN,永磁同步电机分类,交流无刷,(BDCM),转子永磁体形成梯形空间磁场随转子旋转，在定子线圈感生反电动势,(bemf),为梯形波为产生平稳扭矩，定子电流也应控制为梯形波。但不可能产生完全平稳扭矩输出,(,只有当,bemf,为理想矩形波时,),永磁同步电机,永磁同步电机分类永磁同步电机,电机损耗,铜损,(,电损,),定子线圈为铜导线，铜损是指由于导线内阻,R,引起的损耗电损随定子电流幅值增大而增大。,铁损,(,磁损,),定子导磁材料为铁片，铁损是指由于磁路漏磁,Rc,引起的损耗。铁损随磁通和转速增大而增大。即随定子电压幅值增大而增大。,永磁同步电机,电机损,电池,电池电动汽车产业化发展的瓶颈之一,电池电池电动汽车产业化发展的瓶颈之一,常见蓄电池的反应式,电池类型,化学反应式,铅酸,Pb,Acid,镍铬,Ni,Cd,镍锌,Ni,Zn,镍氢,Ni,MH,Li,聚合物电池,Li,Ion,锂离子电池,常见蓄电池的反应式,铅酸电池,镍镉电池,镍氢电池,锂离子电池,超级电容器,能量密度,（,Wh/kg,）,差,30,40,一般,40,50,好,50,90,优良,60,200,非常差,0,15,功率密度（,W/kg,）,差,100,150,良好,30,40,好,150,1500,良好,150,2500,优异,1000,30000,低温性能,一般,良好,良好,差,优良,高温性能,一般,良好,一般,一般,优良,循环寿命,差,良好,优良,一般,优良,记忆效应,无,有,无,无,无,安全可靠性,好,好,好,差,好,应用成本,低,较低,较高,高,高,发展现状,商业化,商业化,商业应用,有应用实例,有应用实例,动力电池体系发展现状比较,铅酸电池镍镉电池镍氢电池锂离子电池超级电容器能量密度差一般好,蓄电池主要实验,性能实验,测试变温度,/DOD/,充放电速率下的 时间电压 或 时间,SOC,等曲线，了解电池的本身特性。,随车实验,记录不同转速,/,扭矩下的电池电压,/,电流,/,温度,/SOC,，优化电池的管理策略，不仅用于纯电动车，还用于混合动力车（结合混合动力车辆的构型、能量分配策略和控制算法）。,极限实验,在刺穿,/,热失稳等极限条件下，评估电池的安全性。,蓄电池主要实验性能实验测试变温度/DOD/充放电速率下的,电池性能实验：,充电倍率对电压与温度曲线影响,不同温度下的充电电压曲线,不同倍率充电时的压力变化,放电倍率对电池容量的影响,温度对电池可用容量的影响,隔膜种类对电池荷电保持特性的影响,恒流特性研究报道较多，脉冲性能研究报道较少,小容量电池研究报道较多，大容量电池研究报道较少,电池性能实验：充电倍率对电压与温度曲线影响 不同温度下的充电,蓄电池的放电特性曲线,电池的端电压在不同的放电率下（,C,）与放电时间的关系曲线：,放电率越小，曲线越偏上,80Ah,镍氢电池,蓄电池的放电特性曲线电池的端电压在不同的放电率下（C）与放电,如：,100Ah,额定容量的蓄电池：,若,c/5,速率放电，,20A,，,5h,放电完毕，,则,c/10,速率放电，即,10A,放电，则放电时间超过,10h,；,则以,1c,速率放电时，即,100A,放电，则放电时间小于,1h,。,蓄电池的可用容量随着放电率的上升而有所下降,如：100Ah额定容量的蓄电池：蓄电池的可用容量随着放电率的,Optima55Ah Yellowtop Pd-Acid 12V60A,恒流放电,OUR DATA,蓄电池的可用容量随放电率的上升而下降,基于稳态开路电压的,SOC,估计方法：,t=0,时,OCV=12.993V SOC=100%,t=finish OCV=11.895V,SOC=44.75%,在,SOC=44.75%,时，端电压就下降到了危险的,6.4V,Optima55Ah Yellowtop Pd-Acid 1,S1,：,C/6,恒流充电直到达到冒气电压（,2.4v,），切断充电电流，使得端电压稍微下降到,2.2v,。,S2,：,75,S1,电流充电，直到达到冒气电压，切断充电电流，使得端电压稍微下降到,2.2v,。,S3,：,50,S1,电流充电，直到达到冒气电压，切断充电电流，使得端电压稍微下降到,2.2v,。,S4,：,25,S1,电流充电，直到电池电压在,15min,内不再上升为止。,S5,：进入脉冲均衡充电过程。当,S4,后电压下降到,2.13v,时，开始这一过程，一直持续到电池电压在,15min,内不再上升为止。,S6,，,S7,：重复,S5,，以保证所有的单体都被充满。,S8,：涓流充电，以补偿自放电的损失。只要开路电压低于,2.13v,时，就开始这一过程，使用,c/100,的电流或者脉冲电流，一直持续到电池电压在,5min,内不再上升为止。,蓄电池的充电特性,铅酸电池的非车载多步充电法,s1,s8,S1：C/6恒流充电直到达到冒气电压（2.4v），切断充电电,电池性能模型研究现状,等效电路模型,电化学模型,神经网络模型,电池性能模型研究现状等效电路模型电化学模型神经网络模型,电池管理系统（,Battery Management System,，本文简称为,BMS,）是电池组热管理技术和,SOC,估计技术的应用平台。,BMS,对于电池组的安全、优化使用和整车能量管理策略的执行都是必需的。所有的现代电动汽车都安装有,BMS,。电池管理系统的功能主要包括数据采集、数据显示、状态估计、热管理、数据通讯、安全管理、能量管理和故障诊断,。,蓄电池监测和管理系统,电池管理系统（Battery Management Syst,1 BMS,的主要任务,任务,传感器输入的信号,执行器件,防止过充,电池电压，电流和温度,充电器,避免深放,电池电压，电流和温度,电动机功率转换器,温度控件,电池温度,冷热空调,电池组件电压和温度的平衡,电池电压和温度,平衡装置,预测电池的,SOC,和剩余行驶里程,电池电压，电流和温度,显示装置,电池诊断,电池电压，电流和温度,非在线分析装置,1 BMS的主要任务任务传感器输入的信号执行器件防止过充,2 SOC,估计,理论,SOC,计算方法：,（,1,）,理论上,：,SOC=Cr/Ct,Cr,：电池在恒流,I,放电时在计算时刻的剩余容量；,Ct,：电池在恒流,I,放电时在计算时刻的总容量；,2 SOC估计理论SOC计算方法：,而,Ct,与,I,的关系如下计算：,I1,：最高放电电流,I2,：最低放电电流,t1,：与,I1,对应的放电时间,t2,：与,I2,对应的放电时间,而Ct与I的关系如下计算：I1：最高放电电流,由于电流、温度、自放电、老化等因素对,SOC,的非线性影响使得在线准确估计电池组的,SOC,具有很大难度。,电动汽车动力电池,SOC,估计方法主要有,放电试验法、安时计量法、内阻法、开路电压法、负载电压法、神经网络法和卡尔曼滤波法,。,（,1,）放电试验法,放电试验法是最可靠的,SOC,估计方法，它采用标准电流对电池进行恒流放电，当达到放电终止条件时，放电电流与时间的乘积即为电池放电前的剩余电量。放电试验法有两个显著缺点：电池进行的工作要被迫中断；需要大量时间。所以放电试验法不适合电动汽车上实时应用。,（,2,）,一些实用性方法,由于电流、温度、自放电、老化等因素对SOC的非线性影响使得在,（,2,）内阻法,电池内阻,R,有交流内阻（,Internal Impedance,，也称交流阻抗）和直流内阻（,Internal Resistance,）之分，它们都与,SOC,密切相关。